上海大学复合材料顶刊：强度高达1.7GPa，延伸率20%！高熵纳米复合材料再获突破！

导读：开发能够实现内在高强度和高延展性的微结构一直是材料科学领域的追求。本文使用放电等离子烧结合成策略高效地制备了由高熵纳米金属间化合物沉淀和高熵纳米级固溶体域组成的双相高熵纳米复合材料，实现了高熵纳米金属间化合物与高熵纳米级固溶体域的最小晶格失配（~0.07%）。所得高熵纳米复合材料表现出高拉伸强度（即断裂强度接近1.7GPa）和大塑性（即均匀伸长率接近20%），研究结果突破了制备纳米结构材料的效率和高性能之间权衡的挑战，从而显著促进了高性能纳米复合材料和先进纳米结构材料的发展。

熵驱动的材料设计理念加速了高熵材料的发展，包括高熵合金、高熵陶瓷，甚至高熵纳米复合材料，且具有广泛的应用和科学研究价值。在这些材料中，高熵纳米复合材料具有增强整体材料选定性能的独特优势。这些增强材料在更广泛的结构和功能应用中具有巨大潜力，例如在汽车和航空航天工业以及许多其他领域。已经开发了多种制造纳米复合材料的策略，包括累积辊压粘合、传统铸造结合后处理以及粉末冶金工艺。

累积滚压工艺可以获得两种金属材料的良好纳米级的复合。然而，对于大多数金属和合金来说，随着晶粒间距减小到纳米级以及屈服后应变软化的出现，强度可能会达到其极限，并且会发生显着的强度-塑性权衡。同样，通过这种方法形成具有复杂形状的块状纳米材料需要额外的密集加工，在某些情况下甚至可能不可行。对于传统的铸造结合后处理工艺，通过在基体中引入沉淀相可以获得纳米级的复合，并有可能突破强化限制和强度-塑性折衷。然而，这种工艺手段较复杂且耗时，制造成本高。更不幸的是，上述这些方法缺乏控制多个域特性的灵活性，这最终使得难以准确地调控材料的性能，例如机械行为。对于粉末冶金工艺，块状纳米复合材料通常通过将纳米填料嵌入到微米尺寸的基质中或直接使用纳米粉末来获得。

机械合金化是制备粉末冶金原料的一种选择，可以得到高质量的纳米合金粉末；然而，该过程复杂且耗时。然而，工业发展因多种原因受到阻碍，包括生产纳米级粉末的高成本和均匀混合纳米粉末的高效加工技术。在大多数报道的工作中，烧结纳米复合材料的微观结构较优，但机械性能仍然不能令人满意且不一致。因此，开发有效且可扩展的微结构解决方案以实现本质上的高强度和高延展性，仍然是一项基本挑战。

在本研究中，来自上海大学的贾延东等人采用放电等离子烧结工艺制备了一种具有多型位错亚结构演变的双相高熵纳米复合材料，该高熵纳米复合材料最终表现出优异的拉伸强度和延展性的协同。本文所述的高熵纳米复合材料中的双相纳米结构在变形过程中具有多种位错亚结构演化，包括位错平面滑移、共面位错阵列、位错墙、微带和固溶体域中的堆垛层错。相关研究以题为“Multi-type dislocation substructure evolution in a high-strength and ductile duplex high-entropy nanocomposites”发表在Composites Part B: Engineering上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110322

本文所述的高熵纳米复合材料中的双相纳米结构在变形过程中具有多种位错亚结构演化，包括位错平面滑移、共面位错阵列、位错壁、微带和固溶体域中的堆垛层错。由于多种应变硬化模式演变的优势，我们的高熵纳米复合材料可以确保塑性足够大的前提并保持高强度。

图1 (a) 扫描电子显微图像和金属粉末的粒度分布图。(b)金属粉末的中子衍射谱。(c) 金属粉末横截面的背散射电子图像。用于表征元素（Fe、Co、Ni、Al 和 Ti）分布的电子探针显微分析图像。

图2（a） 双相高熵纳米复合材料（DHENC）的纳米复合工艺示意图。高熵纳米金属间化合物沉淀，HENIPs；高熵纳米级固溶域，HENSD。(b) DHENC 的EBSD相图显示了异质晶粒结构。(c) DHENC 的晶粒粒度分布图。(d) DHENC的中子衍射谱。

图 4 (a) 晶粒内部的SEM图像显示了高体积分数的析出物。(b) DHENC的透射电子显微镜暗场图像，显示双纳米结构形态。(b) 中的插图显示了011轴上相应的选区电子衍射图。(c) 晶粒内析出物（高熵纳米金属间化合物析出物（HENIP））尺寸分布。（d）高熵纳米级固溶体域（HENSD）的间距分布。

图5 (a) DHENC的扫描透射电子显微图像，相应的面扫能谱图显示元素偏析(b)Fe；(c) Co；(d) Ni；(e)Al和(f) Ti。(g) 通过晶界的对应位置的能谱线扫描。

图 6 (a) 高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图像，包括HENIP和HENSD相。(b) 沿[001]区域轴的高分辨率HAADF图像，包括HENIP和HENSD。图像的右侧显示了相应的快速傅里叶变换(FFT)模式。(c) 能量色散X射线光谱图显示了HENIP和HENSD相的组成分布。

图 8 (a) HENIP相的原子级别HAADF-STEM图以及对应成分的能量色散X射线光谱图(b) Fe；(c) Co；(d) Ni；(e)Al和(f) Ti。

图 9 (a) DHENC的原子探针断层扫描(APT)针尖的三维重建图(等浓度表面为Ni+Al+Ti原子比为50%),和显示每种元素（Fe、Co、Ni、Al 和 Ti）分布的3D APT图。(b) 一维成分分布，显示HENIP和HENSD的元素分布。箭头标记了绘制一维浓度分布的方向。(c) 所有元素的三维原子和二维成分分布图，包括HENIP、HENSD和两相的界面。二维成分分布图使用颜色梯度表示所有元素的相对分布，其中红色表示最高频率。

图 11 (a) DHENC的拉伸应力-应变曲线。(b)拉伸断裂的全貌图。(c) DHENC的拉伸断口，显示出微纳米级的韧性凹坑。

图 13 (a) 位错滑移区在~2%拉伸应变下的STEM图像。(b) 共面位错阵列(CDA)区域在约6%拉伸应变下的STEM图像。(c)位错墙(DW)区域在约10%拉伸应变下的STEM图像。(d) ~13%拉伸应变下微带(MB)区域的STEM图像。

图 15 (a) 变形的DHENC与[011]区轴的HRTEM图像。(b)变形DHENC的HRTEM图，其中[011]区轴显示微带（图a中的黄色虚线区域）。(c) 图[1-11]平面滤波后的IFFT图像。(d) 相应的几何相位分析(GPA)原子尺度应变图，εxx。（e）图[11-1]平面的滤波IFFT图像。(f) 相应的GPA原子尺度应变图，εyy。

图 16 (a) DHENC在~ 16%拉伸应变下的TEM图像。插图为相应黄色虚线区域的SAED图。(b) (a)中相应黄色虚线区域的TEM-DF图像。(c) HRTEM图像显示扭曲的HENSD和有序的HENIP。(d) HENIP 中堆垛层错的部分放大HRTEM图片。插图为相应区域的FFT模式。

图 17 (a) HENSD和HENIP在~16%拉伸应变下的HRTEM图。(b) HENSD与HENIP界面的HRTEM图片。(c) 堆垛层错和部分位错的HRTEM图像。(d) HENSD两侧的HENSD和HENIP结构示意图。

图 18 具有多型位错亚结构演化的变形机制示意图。

综上所述，在目前的工作中，一种简单的烧结方法被用于制造具有异质晶粒结构的双相高熵纳米复合材料，并且它们在环境温度下表现出优异的机械性能。高效的制备过程同时实现了HENIP与HENSD的极小的晶格错配，并消除了脆性Heusler相的出现。双相高熵纳米复合材料的高强度和塑性是由变形过程中的多种强化机制和多种位错亚结构演化提供的。此外，位错亚结构转变包括位错平面滑移、共面位错阵列、位错墙、微带和固溶域中的堆垛层错。这种用于制备双相纳米复合结构的简单而有效的方法可以扩展到其他高温合金和有序硬化合金，以实现特定应用的增强性能并促进高效生产。

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